Mocowanie detali o skomplikowanych kształtach.

Przyrządy mocujące (obróbkowe) dedykowane dotychczas do mocowania detali w produkcji seryjnej, znajdują obecnie coraz większe zastosowanie w wymagającej obróbce skomplikowanych i problematycznych detali. Ogólny trend do obniżenia masy detalu oraz kosztów wytwarzania produktu są głównymi przyczynami powstawania coraz bardziej skomplikowanych detali. Niesie to ze sobą szereg problemów – w tym związanych z samym mocowaniem detalu w trakcie jego obróbki. Skomplikowana geometria, cienkie i pochylone ścianki, powierzchnie kolizyjne czy też małe rozmiary utrudniają szybkie, bezpieczne i powtarzalne mocowanie. W takich sytuacjach do dyspozycji mamy trzy zasadnicze rozwiązania:

  1. imadła precyzyjne,
  2. dedykowane przyrządy obróbkowe,
  3. systemy mocowania z punktem zerowym.

Klasyczne rozwiązania jak np. imadła precyzyjne, są rozwiązaniami o olbrzymiej uniwersalności i możliwości konfiguracji (Rys. 1).

Rys.1 . System wieżowy – uniwersalne imadła wielodetalowe do jednokrotnego mocowania do 8 detali. Wymienne szczeki i przegrody pozwalają sterować zakresem mocowania (Inmet-BTH, Hilma-Roemheld)

W przypadku zastosowania imadeł precyzyjnych w pewnych szczególnych przypadkach detali problematyczne może być jednak przyłożenie siły w jednej linii, wzdłuż osi łoża. W szczególnych przypadkach detali o skomplikowanej geometrii takie rozmieszczenie wektorów siły może powodować wypychanie detalu (Rys. 2), co z kolei niesie za sobą zagrożenie dla otoczenia i jakości produktu finalnego.

Rys.2 . Siły wypadkowe występujące przy mocowaniu detali o pochylonych ściankach. (Opracowanie własne)

Rozwiązaniem tego problemu może być zastosowanie szczęk podatnych (uchylnych, dopasowujących się w jednej płaszczyźnie do powierzchni detalu), szczęk kształtowych, szczek ząbkowanych lub szczęk z powłokami napawanymi o dużej chropowatości (Rys. 3).

Rys.3 . Od lewej: imadło precyzyjne z szczękami kształtowymi, wkładka do szczęki imadła z chropowatą powierzchnią napawaną. (Inmet-BTH, Hilma-Roemheld)

W przypadku wymagających detali, w przypadku których imadła precyzyjne mogą być niewystarczające, należy zastosować dedykowane przyrządy obróbkowe zasilane hydraulicznie. Przyrządy obróbkowe zasilane hydraulicznie nie są jedynymi, dostępnymi na rynku, rozwiązaniami, ale jest to rozwiązanie charakteryzujące się bardzo dużą stabilnością i szybkością pracy (mocowania), możliwością automatyzacji, wysoką powtarzalnością mocowania, odpornością na zmiany temperatur, wysokim bezpieczeństwem oraz konfigurowalnością dzięki dużej liczbie dostępnych komponentów. Właściwy dobór źródła zasilania (zasilacza hydraulicznego) pozwala na sterowanie m.in. takimi parametrami jak siła mocowania i czas zamocowania jak również umożliwia integrację systemu z układem sterowania maszyny lub robota współpracującego. Największą zaletą przyrządów obróbkowych jest dopasowanie do konkretnego detalu, z uwzględnieniem geometrii, rodzaju i zakresu obróbki oraz wymagań jakościowych. Dostosowanie do konkretnego detalu wpływa na ergonomię pracy operatora/robota w zakresie wymiany detalu co wpływa również na poziom bezpieczeństwa i redukcję odrzutów związanych z pomyłką operatora. Na poszczególnych etapach projektowania przyrządu kwestia ergonomii może zostać odpowiednio zoptymalizowana. Ponadto dedykowane przyrządy obróbkowe pozwalają na lepsze wykorzystanie powierzchni stołu roboczego maszyny np. poprzez zwiększenie ilości gniazd obróbczych (Rys. 4) czy też wykonanie przyrządu dwuoperacyjnego (Rys. 5).

Rys.4 . Koncepcja przyrządu obróbkowego wielogniazdowego. (Opracowania własne)

Rys.5 . Animacja przyrządu dwuoperacyjnego – zeskanuj i obejrzyj.

Hydrauliczne przyrządy obróbkowe mogą być projektowane do współpracy z systemem wymiennych palet, stołów obrotowych lub do podłączenia na stałe. System podłączenia nie ma jednak wpływu na zastosowane komponenty wykonawcze (siłowniki itd.), a jedynie na typ zastosowanych elementów sterujących i zasilacza. Dzięki temu, w zasadzie bez względu na typ posiadanej maszyny, możliwe jest zastosowanie wszystkich dostępnych typów komponentów wykonawczych. Opierając się na przykład na asortymencie produktów Grupy Roemheld, czołowego dostawcy rozwiązań, systemów i komponentów do mocowania detali, wyróżnić można: siłowniki liniowe, w tym siłowniki uniwersalne, blokowe i kompaktowe z gwintowanymi obudowami, siłowniki dźwigniowe i kompaktowe, dociski kierunkowe, siłowniki centrujące i do mocowania w otworach, siłowniki podporowe (eliminujące drgania detalu w trakcie obróbki), siłowniki szczękowe czy też siłowniki adaptacyjne. Ostatnia z wymienionych grup – siłowniki adaptacyjne – to jedno z najlepszych rozwiązań w przypadku mocowania wiotkich detali. Mocowanie takim siłownikiem odbywa się dwustopniowo – najpierw następuje dojazd jednej ze szczęk do detalu, lekki nacisk siłą wewnętrznej sprężyny i dopiero zamocowanie drugą szczęką (Rys. 6). Dzięki temu siłownik nie wywiera zbyt dużych nacisków na detal i dopasowuje się do jego kształtu, który dla różnych sztuk detalu może mieścić się w pewnym zakresie (np. +/- 2 mm).

Rys.6. Animacja przyrządu z siłownikami adaptacyjnymi – zeskanuj i obejrzyj.

Analizy i badania własne dowodzą, że największą grupę detali obrabianych w dedykowanych przyrządach obróbkowych stanowią cienkościenne detale odlewane ze stopów lekkich. Detale te cechują się najczęściej cienkimi ściankami o pochyłościach do 3º (w celu łatwiejszego wyjmowania detalu z form odlewniczych). Cienka ścianka w połączeniu z materiałami o niezbyt wygórowanych parametrach wytrzymałościowych jak również pochylenie ścianek utrudniają proces mocowania. W przypadku takich detali szeroko stosowane są wspomniane wcześniej siłowniki adaptacyjne, siłowniki uniwersalne z gwintowaną obudową jak również siłowniki podporowe, które, podobnie jak adaptacyjne, dociskają z siłą sprężyny wewnętrznej (siła docisku jest znacznie mniejsza i niezależna od ciśnienia), a po uzyskaniu ciśnienia roboczego usztywniają się blokując detal.

Rys.7 . Koncepcja mocowania detalu 4 siłownikami podporowymi. (Opracowania własne)

Alternatywnym rodzajem mocowania detali o skomplikowanych kształtach lub dużych gabarytach jest system mocowania z punktem zerowym. Składa się on z gniazda szybkozłącznego generującego siłę mocującą oraz odpowiednich trzpieni mocująco-pozycjonujących (Rys. 8).

Rys.8 . System szybkomocujący z punktem zerowym wykorzystany do bezpośredniego mocowania detalu.

Trzpienie wkręcane są bezpośrednio do detalu lub do płyty pośredniej, na której zamocowany jest detal i wpinany do gniazd /-a szybkomocujących. W zależności od typu gniazda osiągane są bardzo duże siły i dokładności mocowania (np. dla gniazd szybkomocujących Stark siły do 55 kN/gniazdo, dokładność mocowania poniżej +/- 0,01 mm i powtarzalność mocowania poniżej +/- 0,005 mm).

Obecne możliwości oraz asortyment produktów i systemów mocujących dostępnych na rynku pozwala na sprawne i bezpieczne mocowanie detali o skomplikowanych geometriach. Olbrzymia różnorodność detali i specyficzne wymagania wymuszają konieczność przeprowadzenie dokładnych analiz i weryfikacji przyjętych rozwiązań. Pomocne w tym zakresie numeryczne metody obliczeniowe metodami elementów skończonych pozwalają na dość dokładne sprawdzenie przyjętych założeń i ich ewentualną korekcję. Dostępne systemy mocujące nadążają bowiem za rozwojem i komplikacją geometryczną detali – wymagają jedynie niekiedy mniej standardowego podejścia do tematu.

Autor: dr inż. Maciej Boldys, Inmet-BTH